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在地球上絕大多數(shù)環(huán)境中，擁有頑強(qiáng)生命力的植物都能夠在其中扎根生存。人們常說根深柢固，植物的根往往能夠穿透堅(jiān)硬的土層深入地下，那么這樣的能力又從何而來呢?

近日，康奈爾大學(xué)和Boyce Thompson植物研究所的物理學(xué)家和植物學(xué)家們，通過先進(jìn)的3D實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)捕捉到了植物根部運(yùn)用機(jī)械力的過程，揭示了在艱苦的土壤環(huán)境中植物根部能夠頑強(qiáng)生長的潛在原因。該研究提前發(fā)表在美國國家科學(xué)院院刊（Proceedings of the National Academy of Sciences）的上。由于氣候條件改變或者過度放牧，許多曾經(jīng)肥沃的土地都漸漸貧瘠起來，土質(zhì)變得干燥而堅(jiān)硬，這項(xiàng)研究成果有望幫助人們培育適應(yīng)這種劣質(zhì)土壤的農(nóng)作物。

研究人員在一種特殊的透明凝膠中培養(yǎng)苜蓿Medicago truncatula，這種凝膠分為上下兩層，上層柔軟而下層堅(jiān)硬。一開始苜蓿的根部徑直向下生長，但遇到下層堅(jiān)硬的凝膠時(shí)，苜蓿的根開始扭曲形成彈簧狀。這就如同當(dāng)我們一直朝著一個(gè)方向擰繩子，繩子會(huì)自然的卷曲起來一樣。

研究人員用3D實(shí)時(shí)成像技術(shù)跟蹤記錄了野生型苜蓿Medicago truncatula的根部在凝膠中的生長過程。他們在上下兩層凝膠的交界處發(fā)現(xiàn)，苜蓿根部在刺入下層凝膠之前會(huì)形成螺旋狀。研究人員認(rèn)為這種現(xiàn)象是由于生長帶來的機(jī)械力與環(huán)境阻力共同作用使根尖彎曲，同時(shí)這種彎曲形成了根部的扭轉(zhuǎn)。他們還分析了不同凝膠硬度下，根部螺旋的形態(tài)，他們發(fā)現(xiàn)苜蓿根部螺旋的大小與凝膠硬度有關(guān)，并且這種相關(guān)性與他們建立的數(shù)學(xué)模型相符。研究人員指出，這一模型的參數(shù)能夠體現(xiàn)不同植物株之間的差異。

“當(dāng)苜蓿的根部遇到堅(jiān)硬的阻礙物時(shí)，就像鐵絲被壓一樣會(huì)發(fā)生彎曲。而植物根部通過扭曲，使根部呈現(xiàn)出彈簧似的螺旋，這樣其根尖就能夠獲得更多的力，推開更多的凝膠，”文章的*作者，康奈爾大學(xué)研究生Jesse Silverberg說。

“假如植物在生長中遇到了堅(jiān)硬的土壤層，它的根部就需要額外的力來擠入這些障礙物。數(shù)學(xué)模型能夠告訴我們，植物根部要做到這一點(diǎn)需要多大的螺旋。大致上講，土質(zhì)越堅(jiān)硬，植物根部所需的螺旋就越大，”Silverberg說。研究人員還通過3D實(shí)時(shí)成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)，74%的苜蓿根部都是以逆時(shí)針的方式扭曲。Silverberg稱根據(jù)他們的模型，進(jìn)一步的研究將會(huì)在其他種屬植物中揭示類似的根系行為。

該研究結(jié)合了3D成像與數(shù)學(xué)建模，為人們揭示了植物根部生長的模式，展示了機(jī)械力在確定植物根部形態(tài)中起到的作用。通過這項(xiàng)研究，研究人員開創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)了根部形態(tài)、根部生長和機(jī)械力產(chǎn)生之間的潛在。